DE69403548T2

DE69403548T2 - Mit einer drehenden Magneten-Einheit und stehenden Elektromagneten ausgerüstetes Zerstäubungsgerät

Info

Publication number: DE69403548T2
Application number: DE69403548T
Authority: DE
Inventors: David J Harra; Larry D Hartsough
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Novellus Systems Inc
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: JPH08165568A; DE69403548D1; US5417833A; EP0620583B1; KR100326192B1; EP0620583A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zur Durchführung einer Feineinstellung des Magnetfelds eine Magnetronsputtervorrichtung und insbesondere auf Feineinstellungen des Feldes, das von einer rotierbaren Magnetanordnung erzeugt wurde und insbesondere auf Feineinstellungen der lokalen Sputterintensität des hierin enthaltenen Plasmas.
Physikalische Aufdampfung durch Sputtern ist ein wohlbekanntes Verfahren, das weitreichende Anwendungsgebiete bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltkreisvorrichtungen gefunden hat. Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen werden üblicherweise eine große Anzahl von integrierten Schaltkreisvorrichtungen auf einem dünnen, im allgemeinen kreisförmigen Halbleitersubstrat gebildet, das als Wafer bekannt ist. Die Herstellung integrierter Schaltkreisvorrichtungen beinhaltet eine große Anzahl von Verarbeitungsschritten, wobei das Sputtern typischerweise dazu benutzt wird, um Metallschichten aufzubringen, die als Zwischenverbindungen zwischen Vorrichtungen und Vorrichtungsschichten dienen. Am häufigsten wird gesputtertes Aluminium als Material für diese Zwecke benutzt. Eine moderne Halbleiterverarbeitung beinhaltet auch in wachsendem Maße die Benutzung von gesputterten Wolfram, Wolframsilizid, Titan, Titannitrid und andere Schichten.
Die Sputterbeschichtung wird in einer Vakuum kammer durchgeführt, die mit einem Inertgas gefüllt ist, in der ein Target mit sputterfähigem Material einem elektrischen Potential in Bezug auf die Kammeranode ausgesetzt wird. Elektronen, die in der Umgebung des Targets erregt sind, treffen auf die Gasionen und ionisieren sie und die positiven Ionen treffen auf das Target und verursachen, daß Targetatome herausgeschleudert werden.
Eine Magnetronsputterquelle ist in der Lage, mit hohem Durchsatz zu sputtern und stellt eine enorme Verbesserung gegenüber anderen Vorrichtungen dar, die dünne Schichten basierend auf Diodensputtern oder Aufdampfungstechniken bilden. Beim Magnetronsputtern wird ein Plasma in einem Inertgas mit niedrigem Druck durch Anwendung eines geeigneten DC oder FF elektrischen Feldes gebildet. Das Plasma wird von einem magnetischen Feld in einem Bereich in der Nähe des Targets eingesperrt, das aus einem Material hergestellt ist, das zu sputtern ist und das üblicherweise als Kathode des Systems dient. Das Magnetfeld, das typischerweise Feldlinien besitzt, die schleifenförmig durch die Sputtertargetoberfäche verlaufen, beschränkt die Flugbahnen der Elektronen des Plasmas um ihren Transport zu der Anode zu verzögern und sie in einem Bereich einzusperren, so daß Ionen in dem Plasma das Sputtertarget beschießen und Atome des Targetmaterials lösen, die dann auf einem Substrat, d.h. einem Halbleiterwafer, abgelagert werden.
Die Forderung nach preisgünstigeren Schaltkreisen impliziert größere Wafergrößen, die größere Anforderungen an die Sputtersysteme stellen. Z.B. besteht eine Anforderung an ein Sputtersystem, das zur Herstellung eines Halbleiters benutzt wird, darin, daß es eine Schicht gleichmäßiger Dicke über die gesamte Waferoberfläche ablagert. (Nachfolgend wird der Begriff "Gleichförmigkeit" in Zusammenhang mit der Stärke der abgelagerten Schicht verwendet, sofern nicht der Kontext etwas anderes nahelegt.) Ein Mangel an Gleichförmigkeit kann in einem verminderten Vorrichtungsertrag (d.h. der Prozentsatz der Vorrichtungen, die der Betriebsspezifikation entsprechen) und/oder in Variationen der Vorrichtungsleistungen resultieren. Größere Wafergrößen machen es für Sputtersysteme schwieriger, sehr hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit und der Stufenabdeckung zu genügen. Entsprechend erfordert der Trend zu immer kleineren integrierten Schaltkreisvorrichtungsgeometrien, daß ein noch größerer Grad an Gleichförmigkeit der gesputterten Schicht erreicht werden muß.
Andere Eigenschaften der gesputterten Schicht sind gleichfalls recht wichtig für die Hersteller integrierter Schaltkreisvorrichtungen. Z.B. - wie vorstehend erwähnt - wird gesputtertes leitfähiges Material regelmäßig dazu benutzt, um Verbindungen zwischen Vorrichtungen und zwischen Metallschichten zu bilden. Die Bildung von Verbindungen beinhaltet eine gleichmäßige Füllung von Löchern mit kleinem Durchmesser (genannt Vias) in der Oberfläche eines Wafers. Da die Geometrien integrierter Schaltkreisvorrichtungen kleiner geworden sind, ist die Schwierigkeit beim Füllen der Vias mit gesputtertem Material entsprechend vergrößert worden. Eine Stufenabdeckung, oder die Fähigkeit der gesputterten Schicht sich gleichmäßig kantigen Gegenständen auf dem Wafer anzupassen ist entsprechend eine andere wichtige Schichtcharakteristik.
Ein früherer Ansatz zur Verbesserung der Gleichförmigkeits- und Stufenabdekkungscharakteristiken eines Spunersystems besteht darin, von zwei konzentrischen Targets aus zu sputtern. Hierzu wird als ein Beispiel für diesen Ansatz auf die Patentschrift US-A-4,606,806 verwiesen, in der eine Sputterquelle beschrieben ist, die von dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung verkauft wird.
In diesem System besitzt jedes der Sputtertargets eine gleichförmige Gestalt und seine eigene Stromversorgung, die eine separate Steuerung der Sputterrate von jedem Target ermöglicht. Als die Wafergröße zunahm, wurde dies System ersetzt, primär aufgrund von ungewünschten Partikeln, die auf der Oberfläche gebildet werden und von denen angenommen wird, daß sie von Bereichen mit einer Netzbildung aus gesputterten Material verursacht wurden.
Eine Anzahl von kommerziell verfügbaren Sputterquellen benutzen ebene Sputtertargets. Frühe Entwürfe der ebenen Magnetronsputtervorrichtung benutzen einen stationären Magneten, der prinzipielle Nachteile aufweist, von denen der wichtigste darin besteht, daß die Plasmaentladung eingegrenzt ist und eine schmale Rille in dem Target in der Umgebung der größten magnetischen Feldstärke erodiert. Diese eingegrenzte Erosion erzeugt eine nicht-gleichförmige Verteilung von gesputterten Atomen von dem Target und eine Schicht mit nicht-gleichmäßiger Dicke auf dem Halbleiterwafer. Die nicht gleichförmige Erosion des gesputterten Targets führt zu einer ineffizienten Target-Verwendung. Bei den gegebenen hohen Kosten für die Sputtertargets, die für die Herstellung von Halbleitern verwendet werden, ist es wichtig, die größtmögliche Targetverwendung zu erzielen, die noch mit der Notwendigkeit einer Gleichförmigkeit der gesputterten Schicht oder einer anderen erforderlichen Eigenschaft der gesputterten Schicht vereinbar ist.
Es gab eine Vielzahl von Versuchen - von denen einige teilweise erfolgreich verliefen - die ebene Magnetronquelle zu modifizieren, um die Targeterosion auszudehnen und die Verteilung von gesputterten Atomen gleichförmiger zu machen. Es sind Versuche unternommen worden die Erosion über eine größere Oberfläche durch Benutzung eines ausgedehnten magnetischen Feldes auszuweiten. Die Magneten, die für solch einen Ansatz erforderlich sind, sind groß und kompliziert und es schwierig sicherzustellen, daß die Eigenschaften des Magnetronplasmas sich nicht verändern, wenn das Target erodiert wird. Das resultierende Erosionsmuster ist daher schwierig vorherzusagen.
In der U.S.-Patentschift US-A-4,444,643 wird eine Sputtervorrichtung beschrieben, die ein mechanisch rotierendes ringförmiges Dauermagnetbauteil enthält. Die Rotation des Dauermagnetbauteils verursacht eine Erosion über einen weiten Bereich des Targets. Eine Version der Sputterquelle gemäß dem '643-Patent wurde von dem Anmelder kommerziell verkauft. Diese Quelle basiert auf einem rotierenden Dauermagneten, der hinter dem Target zum Bewegen des Plasmas über die Vorderseite des Targets befestigt ist. Die Rotation des Plasmas verbessert die Gleichförmigkeit und die Stufenbedeckung und verbessert auch die Gleichförmigkeit der Targeterosion, so daß Targets effizienter genutzt werden.
Die rotierende Sputterquelle - obwohl eine signifikante Verbesserung über ebenen Magnetronquellen unter Verwendung von stationären Magneten erzielt wurde -erzeugte dennoch keine wirklich gleichförmige gesputterte Schicht und führte auch nicht zu einer gleichmäßigen Targetbenutzung. Es wurden deshalb Anstrengungen unternommen, um verbesserte rotierende Magnetentwürfe zur Benutzung bei ebenen Targets zu entwickeln. (Der Ausdruck "Ebenes Target" ist in dieser gesamten Spezifikation dahingehend zu versehen, daß er die Sputtertargetoberfläche bezeichnet, bevor sie erodiert ist. Fachleute erkennen, daß nachdem das Target erodiert wurde, es nicht mehr eine ebene Oberfläche haben könnte.)
Eine Richtung die von denen eingeschlagen wurde, die das Design von rotierenden Magneten verbessern wollten, die bei ebenen Magnetronsputterquellen benutzt werden, bestand in der Benutzung von im wesentlichen herzförmigen Magnetkonfigurationen mitgeschlossener Schleife. Solche Magnetkonfigurationen verwenden typischerweise eine Magnetanordnung, die entlang einer Linie zentriert sind, die eine herzförmige geschlossene Schleife definieren. Die herzförmige rotierende Magnetanordnung kann eine gleichmäßigere Targeterosion erzeugen. Obgleich eine gleichförmige Erosion wichtig ist, sind Charakteristiken der gesputterten Schicht wie z.B. Gleichförmigkeit von größerer Wichtigkeit für Hersteller von integrierten Schaltkreisvorrichtungen. In vielen Fällen - wie nachfolgend beschrieben wird - verbessert ein nicht-gleichförmiges Targeterosionsmuster die Gleichförmigkeit der gesputterten Schicht.
Eine andere Sputterquelle mit einer herzförmigen Magnetanordnung ist beschrieben in: Japanese Patent Application Publication (Kokai) Nr. 62-211,375. Die Anmeldung beschreibt die Benutzung eines herzförmigen Magneten mit geschlossener Schleife mit einer Kurve, die durch die folgende Gleichung definiert ist,
R = L -A +2A θ /π (for-π≤θ≤π)
wobei der Mittelpunkt des Sputtertargets am Ursprung eines Polarkoordinatensysterns angeordnet ist, R die Entfernung zwischen dem Ursprung und einem Punkt auf der Kurve ist, der die Magnetzentrallinie definiert, L die Entfernung zwischen dem Zentrum des Herzens und des Scheitelpunktes des Herzens ist und A die Entfernung zwischen dem Zentrum des Herzens und dem Zentrum des Targets ist.
Es wird keine Herleitung angegeben, wie die Erfinder zu dieser Gleichung gekommen sind. Wie in der japanischen Anmeldung '375 diskutiert wurde, wird ein Magnet, der die vorstehend beschriebene Kurve besitzt, keine gleichförmige Erosion und keine gleichförmige Ablagerung erzeugen. Darüberhinaus lehrt die '375-Anmeldung nicht, wie ein beliebig ausgewähltes Erosionsprofil erzielt werden kann.
Die US-Patentschrift US-A-4,995,958 beschreibt eine andere im wesentlichen herzförmige Magnetanordnung mit geschlossener Schleife zur Benutzung bei einer ebenen Magnetronsputterquelle. Das '958-Patent enthält eine genaue mathematische Analyse um zu zeigen, wie ein rotierender Magnet mit geschlossener Schleife konstruiert wird, um ein vorbestimmtes Erosionsprofil zu realisieren und dabei zum Beispiel eine hocheffektive Targetmaterialverwendung und hohe Ablagerungsraten zu erzielen.
Unter anderem beschreibt das '958-Patent die Nachteile des Standes der Technik und zeigt wie der Stand der Technik nicht in der Lage war, eine Lehre bereitzustellen, die einen wirklich in die Lage versetzt, ein gleichförmiges Erosionsprofil eines ebenen Sputtertargets zu erzielen. Wichtig: Die Figuren 12A-12E des '958-Patentes und der sich hierauf beziehende Text zeigen eindeutig, daß kleine Veränderungen in der Form des herzförmigen Magneten zu sehr dramatischen Unterschieden in den resultierenden Erosionsmustern des Sputtertargets führt. Die Tatsache gegeben, daß kleine Abweichungen von der Form des herzförmigen Magneten signifikante Veränderungen in dem resultierenden Targeterosionsprofil verursachen kann wird es sehr schwierig, die Form empirisch zu optimieren. Daher ist die mathematische Analyse des '958-Patents eine hochsignifikante Lehre, wenn es darum geht, herzförmige Magneten mit geschlossener Schleife tatsächlich nützlich zu machen.
Eine Konfiguration eines Magneten mit geschlossener Schleife des Typs, der in dem '958-Patent beschrieben wurde, besitzt den zusätzlichen Vorteil justierbar zu sein; d.h., daß die Form der Magnetanordnung und damit die Eigenschaften der Sputterquelle ohne große Schwierigkeit oder Kosten verändert werden kann. Wie in der Patentschrift beschrieben, werden eine Vielzahl von Magneten durch zwei Eisenanker oder Polstücke in Position gehalten, die die Form der geschlossenen Schleife definieren. Das Setzen und/oder Justieren der Eisenanker zur Bereitstellung einer anderen Konfiguration mit geschlossener Schleife ist eine relativ einfache Sache. In dieser Weise ist es möglich, eine Quelle für verschiedene Zwecke zu benutzen oder die Quelle, zu justieren, wenn sich Anforderungen verändern.
Eine primäre Aufgabe des rotierenden Magneten mit geschlossener Schleife des '958-Patentes bestand darin, eine bessere Targetbenutzungseffizienz zu erzielen, was normalerweise eine wichtige Aufgabe in Anbetracht der hohen Kosten von Sputtertargets darstellt und hohe Ablagerungsraten zu erzielen - ein anderer Faktor aufgrund der Forderung nach noch größerem Sputterschicht-"Durchsatz". Wie vorstehend bemerkt überwiegt die Notwendigkeit größerer Sputterschichtgleichförmigkeit generell die Notwendigkeit einer effizienten Targetbenutzung und Ablagerungsrate. Dementsprechend stellt das '958-Patent die Basis zur Erzielung eines beliebigen Targeterosionsprofils dar. Es ist jedoch anzumerken, daß das '958- Patent keine dahingehende Lehre enthält, wie bestimmt werden kann, welches Erosionsprofil bei einer gegebenen Menge von Bedingungen zu benutzen ist, um die Gleichförmigkeit der gesputterten Schicht oder andere Eigenschaften der gesputterten Schicht zu maximieren.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die mathematische Analyse, die in dem '958-Patent bereitgestellt wird, an Diskontinuitäten in zwei Bereichen des Herzens nicht anwendbar, nämlich in dem Bereich in der Nähe der "Spitze" des Herzens und in dem Bereich in der Nähe des "Scheitelpunktes" des Herzens. Als ein Ergebnis der Unanwendbarkeit der Lehre des '958-Patentes auf den Bereich des Scheitelpunktes des Herzens verwenden die von ihnen gezeigten Designs den genauen Mittelpunkt des Targets oder die Targetkante nicht optimal. Darüber hinaus basiert die Analyse des '958-Patentes auf der Annahme, daß der Magnet eine gleichförmige Stärke an allen Punkten entlang der Schleife besitzt. Falls dies zutrifft, würde die Gesamtmenge an gesputterten Material per Längeneinheit des Magneten eine Konstante sein. Es wurde beobachtet, daß diese Annahme nicht zutrifft.
Es ist anzumerken, daß jede der herzförmigen Designs, die in dem '958-Patent gezeigt sind, und anderer Stand der Technik symmetrisch in bezug auf eine Linie sind, die durch die Spitze, den Scheitelpunkt und die Rotationsachse des Herzens verläuft. Die Symmetrie des '958-Designs geht darauf zurück, daß ihr Verfahren zur Herstellung eines herzförmigen Magneten darin besteht, daß eine Gestalt über 180º (d.h. über eine Hälfte des Polarkoordinatensystems) gebildet wird und diese Gestalt dann gespiegelt wird, um die Schleife in bezug auf die verbleibenden 180º zu schließen. Der Begriff herzförmig, wie er hier benutzt wird, erfordert jedoch nicht, daß zwei strikt symmetrische Hälften vorliegen müssen. Wie nachfolgend beschrieben wird können sich Umstände ergeben, in denen ein asymmetrischer herzförmiger Magnet wünschenswert ist. Entsprechend erfordert der Begriff herzförmig, wie er hier verwendet wird, nicht, daß das Herz eine wahrnehmbare "Spitze" besitzt. Es wurde herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, ein Design zu benutzen, bei dem der von der Rotationsachse am weitesten entfernte Bereich, der im wesentlichen dem Scheitelpunkt gegenüberliegt, einen Kreisbogen bildet. In dieser Beschreibung impliziert der Begriff "Herz", daß es einen wendepunktähnlichen Übergang zwischen zwei Ausbuchtungen gibt. Der wendepunktartige Übergang kann aus Designgründen geglättet sein.
Schließlich wurde herausgefunden, daß es Abweichungen gibt zwischen der Position des an die Sputtertargetoberfläche angrenzenden Plasmas gemäß der Vorhersage in dem '958-Patent und gemäß dem empirisch gemessenen Wert für den Ort des Magneten mittels des '958-Patentes. Wie vorstehend erwähnt können selbst kleine Veränderungen in der Form des Magnetfelds, das von einem herzförmigen Magneten erzeugt wurde, zu signifikanten Veränderungen in dem erzielten Erosionsprofil führen.
Wie in der US-Patentschrift US-A-4,995,958 gelehrt wird, befindet sich die Zentral linie einer herzförmigen Magnetanordnung mit geschlossener Schleife auf einer Kurve, die durch die folgende Gleichung definiert wird
wobei ξ(u) eine Funktion ist, die ein vorbestimmtes Erosionsprofil definiert und C eine ausgewählte Konstante ist. Wie in dem '958-Patent beschrieben, ist jeder der Magneten gleichmäßig auf einer Zentrallinie angeordnet, die zwischen beabstandeten inneren und äußeren Ankern liegt. Der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Anker ist an allen Punkten gleichmäßig, außer in der Umgebung der Spitze und des Scheitelpunktes des Herzens. Eisenanker sind ungefähr 1,5mm dick. Die Magnetanordnung ist auf einer Platte befestigt, die mit Mitteln zum Drehen der Platte um ihre Rotationsachse verbunden ist.
Ein Erosionsprofil kann für die Magnetanordnung gemäß der Lehre des '958-Patentes berechnet werden. In anderen Worten ist die Zentrallinie der Magnetanordnung mittels der obigen Gleichung ausgelegt, um ein theoretisches Erosionsprofil zu erzeugen. Anders ausgedrückt ist die Funktion ξ(u) eine Konstante, um eine gleichmäßige Erosion zwischen den Integrationsgrenzen zu erzeugen. Es ist jedoch anzumerken, daß für r ≤ 1 die Gleichung einer Konstante entspricht.
Verschiedene andere herzförmige Magnetformen mit geschlossener Schleife, die designed wurden, um theoretisch verschiedene Sputtertargeterosionsprofile zu erzeugen, bei denen die Funktion ξ(u) nicht eine Konstante ist, sind in den Fig. 12A-12E des zuvor erwähnten '958-Patentes gezeigt. Bei Betrachtung dieser Figuren und des dazugehörigen Textes wird klar, daß kleine Veränderungen in der Form des herzförmigen Magneten signifikante Veränderungen in der Form des resultierenden Erosionsprofils erzeugen. Hieraus folgt, daß - obwohl die Benutzung eines richtig konfigurierten herzförmigen Magneten mit geschlossener Schleife in Verbindung mit einer ebenen Magnetronsputtervorrichtung zu einer verbesserten Gleichförmigkeit der Targeterosion führen kann - es nicht offensichtlich ist, wie die richtige Form empirisch festgestellt werden kann, die notwendig ist, um irgendein beliebiges Erosionsprofil zu erzeugen.
Jede der herzförmigen Magnetanordnungen, die in dem '958-Patent gezeigt sind oder in irgendeinem vorbekannten Stand der Technik den Erfindern bekannt sind, ist symmetrisch zu einer Linie, die durch die Spitze, den Scheitepunkt und die Rotationsachse des Magneten verläuft. Darüber hinaus ist jeder der vorbe kannten Magneten an seiner Spitze "angespitzt". In anderen Worten ist die Zentrallinie an dem Punkt, an dem die Kurve reflektiert wird, nicht glatt, d.h., daß die Ableitung der Zentrallinie an diesem Punkt nicht linear ist.
Die EP-A-0 439 360 (nachfolgend als die '360-Anmeldung bezeichnet) beschreibt eine Magnetkonfigurationen basierend auf der Lehre des '958-Patentes, aber erweitert, um die Beschränkungen des '958-Patentes zu korrigieren, so daß eine gleichmäßige Erosion in dem Zentrabereich des Targets erzielt werden könnte. Solch eine verbesserte herzförmige Magnetanordnung mit geschlossener Schleife für die Verwendung in einem ebenen Magnetronsputtersystem wurde von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung kommerziell verkauft. Diese Magnetanordnung basiert auf der Lehre des '958-Patentes gemäß der Erweiterung durch die '360-Anmeldung. Im Gegensatz zu den herzförmigen Entwürfen des '958-Patentes beinhaltet dies, daß Magneten in der Umgebung der Rotationsachse der Magnetanordnung angeordnet sind. In dieser kommerziellen Ausführungsform ist die Anordnung der Magneten in der Nähe der Rotationsachse nicht strikt auf die Lehre der '360-Anmeldung beschränkt, sondern beinhaltet eine Kombination von der Intuition des Konstrukteurs und empirischen Ergebnissen. Es ist anzumerken, daß in der Nähe der Ausbuchtungen und des Scheitelpunktes des Herzens die Eisenan ker nicht gleichförmig beabstandet sind, und die Abkehr von einer gleichmäßigen Beabstandung der Anker in der Umgebung des Scheitelpunktes weit größer ist als die kleine Abweichung, wie sie in vorherigen Konstruktionen vorhanden waren. Der Mangel an gleichmäßiger Beabstandung macht jedoch die Plazierung der Magneten in dieser Umgebung schwieriger. Darüberhinaus - wie in der '360-Anmeldung beschrieben - könnten die Magneten im Zentrabereich eine unterschiedliche Stärke besitzen.
Obgleich diese Magnetkonstruktion eine Verbesserung gegenüber der Konstruktion des Standes der Technik insofern darstellt, als sie eine bessere Targetbenutzung in der Nähe des Zentrums des Sputtertargets erzeugt, ist die erforderliche mathematische Analyse schwierig. Zusätzlich wurde festgestellt, daß weder die frühere noch die verbesserte Konstruktion präzise zu Erosionsprofilen führt, die durch die Lehren des '958-Patentes oder der '360-Anmeldung vorhergesagt wurden.
Eine verbesserte Konstruktion für eine herzförmige Magnetanordnung mit geschlossener Schleife zur Benutzung in einem ebenen Magnetronsputtersystem wurde in einem US-Patent US-A-5,314,597 von D. Harra mit dem Titel "Sputtering Apparatus With a Magnet Array Having a Geometry With a Specified Target Erosion Profile", Anmeldenr. 07/855,988, angemeldet am 20. März 1992, offenbart.
Vor dem Beschreiben des Verfahrens, das benutzt wurde, um zu der Gestalt der Dauermagnetanordnung zu gelangen, wird eine Beschreibung seiner Form vis-a-vis des Standes der Technik geben. Beginnend beim Scheitelpunkt des Herzens ist anzumerken, daß der innere Anker die Rotationsachse der Magnetanordnung quert, obwohl er eine annähernd gleiche Beabstandung zwischen innerem Anker und äußerem Anker in der Umgebung des Scheitelpunktes beibehält. Dieser Abschnitt des Magneten erzielt daher eine bessere Leistung ohne die Komplexitäten der anderen Ausführungsformen zu besitzen, die in der '360-Anmeldung gezeigt sind.
Es ist ebenfalls zu bemerken, daß unmittelbar hinter den Ausbuchtungen des Herzens die Form der Magnetanordnung zwei Einwärtsbiegungen aufweist. In anderen Worten, während die Form von vorbekannten herzförmigen Magneten ausnahmslos so ausgebildet ist, daß die Kurve immer konvex in bezug auf die Innenseite der Kurve ist, gibt es bei dieser Verbesserung zwei Abschnitte der Kurve, die konkav in bezug auf das Innere der Kurve sind.
Es sollte schließlich angemerkt werden, daß diese Verbesserung keine angespitzte Spitze besitzt. Obwohl diese Verbesserung symmetrisch zu einer Linie ist, die durch den Scheitelpunkt und die Rotationsachse des Herzens verläuft, liegt die Kurve, die am weitesten entfernt von der Rotationsachse und auf einer der Seiten der Symmetrieachse liegt, auf einem Bogen, der bevorzugt ein Kreisbogen ist. Dementsprechend ist die Kurve an diesem Punkt glatt, d.h. die Ableitung der Kurve ist in diesem Punkt stetig. Darüber hinaus liegt ein wesentlicher Abschnitt des Herzens, vielleicht 1/4 der Kurve oder mehr auf diesem Bogen.
Es wird nun das Verfahren beschrieben, durch das die Form der verbesserten Magnetanordnung und andere Formen hergestellt werden können, um ein ausgewähltes Erosionsprofil zu erzeugen. Es wird zunächst eine initiale herzförmige Magnetanordnung mit geschlossener Schleife hergestellt. Bei der rotierbaren Magnetanordnung, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung mit enthalten ist, kann der initiale Magnet mit geschlossener Schleife entweder gemäß den Prinzipien hergestellt werden, die in dem '958-Patent beschrieben sind, oder in der Weise, die verwendet wird, um den verbesserten Magneten zu schaffen, so daß ein gewünschtes Erosionsprofil durch die initiale Magnetform approximiert wird. Es ist ebenfalls möglich mit anderen herförmigen Konstruktionen zu beginnen, einschließlich denen, die im Stand der Technik bekannt sind.
Diese initiale Magnetanordnung wird dann in einem Sputtersystem angeordnet und das System wird betrieben, während die Magnetanordnung ortsfest gelassen wird, um eine statische Erosionsrille in der Oberfläche des Sputtertargets zu erzeugen. Bei der Ausführung dieses Schrittes ist es bevorzugt, daß das Sputtertarget aus einem Material hergestellt ist, das mit der konstruierten Magnetanordnung benutzt wird, und daß die Betriebsparameter des Systems mit den aktuellen Betriebsparametern übereinstimmen, die bei dem System während der Herstellung verwendet werden. Aus Gründen, die nicht vollständig verstanden wurden, ist beobachtet worden, daß das von einer vorgegebenen Magnetanordnung erzeugte statische Erosionsprofil abhängig von dem zu sputternden Material etwas abweicht.
Wie zu erwarten war ist die resultierende statische Erosionsrille ebenfalls herzförmig und bildet eine geschlossene Schleife. Darüber hinaus - wie aufgrund des Standes der Technik bezüglich ebenen Sputtermagnetrons mit einer stationären Magnetanordnung erwartet - besitzt jeder gegebene Querschnitt der Erosionsrille entlang der Schleife ein talförmiges Aussehen, wobei die Erosion in einem Bodenabschnitt am größten ist. Aus Gründen, die nicht vollständig verstanden werden überlagert der Boden der Erosionsrille nicht das Zentrum der Magnetanordnung. Diese Abweichung zwischen dem Boden der Erosionsrille und der Zentrallinie der Magnetanordnung - falls sie nicht korrigiert wird und keine Kompensation vorgenommen wird - erzeugt Ergebnisse, die von der Lehre des '958-Patentes abweichen.
Eine wichtige Prämisse des '958-Patentes besteht darin, daß der Bereich der größten Targeterosion die Zentrallinie der Magnetanordnung direkt überlagert. Diese Prämisse basiert auf der Annahme, daß die an die Targetoberfläche angrenzende Magnetfeldintensität am größten direkt über der magnetischen Zentrallinie ist. Es wurde empirisch beobachtet, daß diese Prämisse nicht ganz zutrifft. Wie vorstehend erwähnt, können kleine Veränderungen in der Konfiguration der herzförmigen Magnetanordnung mit geschlossener Schleife in signifikanten Veränderungen des Erosionsprofils resultieren, das von der Magnetanordnung erzeugt wird. Die Diskrepanz zwischen der Form der Magnetanordnung und des Erosionsprofils, das es während des statischen Sputterns erzeugt, kann man sich dahingehend vorstellen, daß die benutzte Magnetanordnung eine andere wirksame Form besitzt als beabsichtigt ist. Dieses Problem wurde in dem '958-Patent nicht erkannt; das '958-Patent lehrt auch nicht, wie die Diskrepanz zur Erzeugung eines Magneten mit richtiger wirksamer Form kompensiert werden kann.
Nachdem eine statische Erosionsrille hergestellt ist, wird die Form der Rille an endlich vielen Punkten entlang der Rille sorgfältig gemessen und es wird ein Diagramm erzeugt, das die mathematische Beziehung zwischen der Position und der Tiefe einer Targeterosion zeigt. Diese Messungen werden in Polarkoordinaten durchgeführt. Z.B. wird die Tiefe einer Targeterosion als eine Funktion des Winkels θ an einer endlichen Anzahl von Werten von R gemessen (R ist der radiale Abstand der Magnetanordnung von der Rotationsachse).
Für R = Ki, wobei Ki ein gegebener Entfernungswert von der Rotationsachse ist, wird gezeigt, daß ein typisches Erosionsprofil zwei Erosionsbereiche enthält, wenn man von 0º bis 360º rotiert. Eine Menge von entsprechenden grafischen Darstellungen werden dann für eine endliche Anzahl von Werten von Ki angefertigt. Z.B. könnten 20 solcher grafischen Darstellungen erzeugt werden, d.h., falls der Radius des Targets 5 Inch beträgt könnten die grafischen Darstellungen für jedes Viertel-Inchintervall zwischen dem Ursprung und dem Rand des Targets erzeugt werden. Die Werte Ki kann man sich derart vorstellen, daß sie eine Menge von konzentrischen Kreisen definieren, die um die Rotationsachse herum zentriert sind. Die vorliegende Technik erfordert nicht, daß die Werte von Ki gleichmäßig beabstandet sind. Z.B. kann man Werte von Ki auswählen, die Positionen der einzelnen Magneten in der Anordnung entsprechen.
Jede der grafischen Darstellungen der statischen Erosion, die unter Benutzung dieser Technik empirisch erzeugt wurden, wird dann über eine Umdrehung des Magneten integriert, um einen Wert der Erosionstiefe E(R) für einen bestimmten Wert Ki zu erzeugen. Die Erosionstiefenwerte für jedes Ki werden dann grafisch dargestellt, um ein Gesamterosionsprofil für den Magneten zu erzeugen, wenn er rotiert wird. Die Integration, die in diesem Schritt erforderlich ist, kann unter Benutzung von numerischen Standardintegrationstechniken durchgeführt werden, die Fachleuten wohlbekannt sind.
Es ist gefunden worden, daß das berechnete Erosionsprofil dem beobachteten Erosionsprofil entspricht, das erzeugt wurde, wenn der Magnet rotiert wird.
Die statischen Erosionsdaten, die grafisch dargestellt wurden, um den Graph zu bilden, können auch in einer anderen Weise grafisch dargestellt werden. Statt die Erosionstiefe an einer bestimmten radialen Entfernung als eine Funktion des Winkels grafisch darzustellen, können die Erosionstiefendaten an einer endlichen Anzahl von Winkeln θ = αi als eine Funktion der Entfernung r dargestellt werden. Wenn man sich das Target als ein Rad vorstellt, kann man sich die Datenpunkte als das Erosionsprofil entlang einer "Speiche" des Targets vorstellen, wobei jede Speiche wiederum ein Winkel αi ist.
Es ist Fachleuten klar, daß die statischen Erosionsprofidaten auf äquivalente Weise in einem dreidimensionalen System oder als numerische Matrix dargestellt werden können, bei der eine endliche Anzahl von Datenpunkten auf der Oberfläche des Sputtertargets jeweils eine Menge von Werten besitzt, die der Winkeosition θ, der Erosionstiefe E(R, θ), und der radialen Entfernung R des Punktes auf der Oberfläche des Sputtertargets von dem Ursprung, d.h. der Rotationsachse, ist.
Die auf diese Weise berechnete Kurve ist auf zufriedenstellende Weise benutzt worden, um die Form der Magnetanordnung zu justieren, um die Diskrepanz zwischen dem vorhergesagten Erosionsprofil gemäß dem '958-Patent und dem beobachteten statischen Erosionsprofil zu korrigieren. Wie dies durchgeföhrt wurde, wird nachfolgend erklärt. Diese Diskrepanz zwischen der wirksamen Gestalt des Magneten und der tatsächlichen Gestalt ergibt sich aus dem Offset zwischen der Zentrallinie und dem Punkt größter Erosion. Die Positon der Zentrallinie des Magneten entlang der X-Achse ist der Einfachheit halber willkürlich so definiert, daß er beim Punkt x = 0 liegt. Ein Polynom fünfter Ordnung wird dann unter Benutzung bekannter mathematischer Techniken abgeleitet, um Datenpunkten zu entsprechen.
Es wird angenommen, daß eine geringfügige Störung der Zentrallinie des Magneten an einem gegebenen αi die Form oder den Versatz der Kurve an irgendeinem anderen Wert von α nicht beeinflußt. Diese Annahmen sind einigermaßen realistisch, wenn der Versatz eines jeden Magneten bei α klein ist. Damit diese Annahmen wahr bleiben, ist es am besten mit einer initialen Magnetform zu beginnen, von der erwartet wird, daß sie keine große Abweichung zur endgültigen Form besitzt, so daß die Störungen der Positionen der individuellen Magneten klein bleiben. Falls die Störungen jedoch zu groß werden, kann die hierin beschriebene Technik auf einer iterativen Basis vorgenommen werden.
Der Effekt, kleine Justierungen bezüglich des Ortes der magnetischen Zentrallinie an ausgewählten Werten von αi vorzunehmen, kann ohne weiteres in ein verändertes berechnetes Erosionsprofil übersetzt werden, das die Justierungen berücksichtigt, die durchgeführt worden sind. Es ist auf diese Weise möglich, die Störungen bezüglich der Position der Magneten an ausgewählten Punkten zu berechnen, die erforderlich sind, um ein vorbestimmtes Erosionsprofil auf der Oberfläche des Targets zu erzeugen.
Solange wie die Störungen bezüglich der magnetischen Positionen klein genug sind, daß die vorstehenden Annahmen noch realistisch erscheinen, stellt die beschriebene Technik ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Auswahl einer Magnetform dar, die ein vorbestimmtes Erosionsprofil erzeugt. Obwohl sie im wesentlichen auf den Techniken des '958-Patentes basiert, wird gesehen werden, daß diese Technik verschiedene Vorteile gegenüber dem besitzt, was in dem '958- Patent gezeigt ist. Diese Vorteile beinhalten die Fähigkeit der vorliegenden Technik eine Magnetform zu erzielen, die in einem vorbestimmten Erosionsprofil resultiert, das der Diskrepanz zwischen der tatsächlichen under wirksamen Form der magnetischen Anordnung Rechnung trägt. Es ist ebenfalls vorteilhaft die Möglichkeit zu haben, die Gestalt des Erosionsprofils in der Umgebung des Scheitelpunktes des Magneten und in Umgebung des Magneten in der Nähe der Kante des Sputtertargets vorhersagen und justieren zu können. Es ist auch wichtig, die Möglichkeit zu besitzen, Abweichungen in der Erosionsintensität über die Länge der geschlossenen Schleife zu korrigieren. Schließlich stellt es ebenfalls einen Vorteil dar, die Möglichkeit zu haben, Unregelmäßigkeiten in der Gestalt des Magneten vorzunehmen, um eine asymmetrische herzförmige Konstruktion zu erzeugen.
Die Benutzung einer asymmetrischen Konstruktion gestattet eine größere "Feinabstimmung" der Magnetgestalt. Bei einer symmetrischen Konstruktion wird irgendeine magnetische Zentrallinienjustierung in einen Bereich, der auf einer Hälfte des Magneten liegt, verdoppelt, weil dieselbe Justierung automatisch mit der symmetrischen Hälfte durchgeführt wird. Bei Benutzung der vorliegenden Technik ist es möglich, eine Hälfte eines Magneten in einer vorhersagbaren Weise zu justieren, während die andere Hälfte unverändert beibehalten wird. Dies liegt daran, daß diese Technik Daten benutzt, die über den gesamten Bereich von 360º des Koordinatensystems gewonnen wurden.
Wie vorstehend bemerkt ist es durch Vornahme geeigneter Justierungen der Zentrallinie des Magneten möglich, einen Magneten zu erzeugen, der eine wirksame Gestalt besitzt, der in Übereinstimmung mit den Lehren des '958-Patentes steht. In anderen Worten ist es möglich, einen Magneten zu konfigurieren, der ein statisches Erosionsmuster auf der Oberfläche eines Targets erzeugt, von dem ein Abschnitt der Gleichung
entspricht, wobei ξ(u) ein vorbestimmtes Erosionsprofil definiert und die Zentrallinie des Magneten von der Zentrallinie der statischen Erosionsrille verschoben ist, um die Abweichung zwischen ihnen zu kompensieren.
Nachdem gezeigt wurde, wie ein Magnet erzielt werden kann, der eine Gestalt besitzt, die in einem vorbestimmten Erosionsprofil auf der Oberfläche des Sputtertargets resultiert, kommen wir nun zu einer Diskussion, wie bestimmt werden kann, welches das optimale Erosionsprofil ist. Während viele der vorbekannten Patente die Wünschbarkeit und Wichtigkeit eines gleichmäßigen Erodierens der Oberfläche des Sputtertargets betonen, ist die Gleichförmigkeit einer Erosion tatsächlich eine sekundäre Überlegung für viele Benutzer eines Sputtersystems. Die primäre Überlegung besteht in der Notwendigkeit eine Sputterschicht mit gewünschten Eigenschaften - z.B. Gleichförmigkeit auf den beschichteten Wafern - gleichbleibend zu erzielen. Dies ist eine Technik, die benutzt werden kann, um das Targeterosionsprofil zu berechnen, das in einer Schicht resultiert, die die gewünschten Eigenschaften der Waferoberfläche besitzt.
Diese Technik zur Vorhersage der Gleichmäßigkeit einer Schichtabagerung berücksichtigt eine Anzahl von Variablen, die die Ablagerungsrate von Sputtermaterial an irgendeinem gegebenen Punkt auf der Oberfläche des Substrates berühren. Die wichtigen Variablen, die hier einfließen werden nun diskutiert.
Es ist zunächst notwendig, die Winkelverteilung von Atomen zu kennen, die von der Oberfläche des Sputtertargets herausgeschleudert werden. Es wird einfachheitshalber regelmäßig angenommen, daß Sputteratome in einer Cosinusverteilung herausgeschleudert werden. Diese Annahme ist realistisch für den Fall von Aluminium, der am meisten benutzten Sputterschicht bei der Herstellung von integrierten Halbeiterkreisen, wobei das Atomgewicht des Materials (z=27) signifikant geringer ist, als das Atomgewicht von Argon (z=40), das typischerweise als Sputtergas verwendet wird. Es ist jedoch bekannt, daß beim Sputtern von Materialien mit höherem Atomgewicht wie z.B. Titan (z=48) oder Wolfram (z=184) die Winkeerteilung der gesputterten Atome nicht einer Cosinusverteilung entspricht. Darüber hinaus könnte in einigen Fällen die kristalline Struktur des Sputtertargetmaterials auch die Winkelverteilung von gesputterten Atomen beeinflussen.
Der erste Schritt bei der Bestimmung eines gewünschten Erosionsprofils besteht darin, die Winkeerteilung der gesputterten Atome unter den in dem System verwendeten Betriebsbedingungen zu erzielen. Falls die erforderliche Information nicht aus der Literatur verfügbar ist kann sie durch empirische Messung unter Benutzung des zu sputternden Materials in einem System erzielt werden, das unter vergleichbaren Bedingungen betrieben wird. Nachdem die Verteilung empirisch bestimmt wurde, werden die Daten dann einer mathematischen Funktion angepaßt, die - wenigstens in erster Ordnung - die gemessene Verteilung approximiert. Bei dem bevorzugten Verfahren hat sich als nützlich erwiesen, die empirischen Daten durch Benutzung einer Verteilungsfunktion zu approximieren, die eine Potenz der Cosinusfunktion multipliziert mit einer zweiten Funktion ist, die einstellbare Parameter besitzt, wie es bei der folgenden Gleichung der Fall ist:
Hierbei ist K&sub1; ein einstellbarer Parameter, der ausgewählt wird, um den Daten zu entsprechen und K&sub2; ein Skalierfaktor.
Der nächste Parameter, der notwendigerweise verstanden werden muß, bevor eine Berechnung eines gewünschten Erosionsprofils durchgeführt werden kann, ist die Entfernung zwischen dem Substrat und dem Sputtertarget. Normalerweise ist die Entfernung zwischen der Sputtertargetoberfläche und dem Wafer bei einer gegebenden System konfiguration eine Konstante (unter Außerachtlassung der Wirkung der Targeterosion). Bei den meisten Anwendungen ist es wünschenswert das Substrat so dicht wie möglich bei dem Sputtertarget anzuordnen, um die Ablagerungsrate zu maximieren und den Verlust von Targetmaterial zu minimieren (aus der vorhergegangenen Diskussion der Winkelverteilung von gesputterten Atomen sollte aufgrund der Geometrie klar sein, daß ein Atom, das die Oberfläche des Targets unter einem spitzen Winkel verläßt eine größere Chance besitzt, auf dem Substrat zu landen, wenn das Substrat dicht bei dem Target angeordnet ist). (Falls eine signifikante Anzahl von Atomen nicht auf dem Substrat landen, wird sowohl die Schichtablagerungsrate verringert als auch die Verschwendung von Material vergrößert.)
Auf der anderen Seite macht es eine enge Kopplung des Targets mit dem Substrat schwieriger, eine angemessene Gleichförmigkeit der gesputterten Schicht zu erzielen. Es ist manchmal bevorzugt, Schilde, Verschlüsse, Kollimatoren etc. dazwischen anzuordnen, um die gesputterten Schichteigenschaften zu verbessern oder um das Sputterverfahren zu steuern. Die vorliegenden Magnetkonstruktionen und Verfahren sind anwendbar, wenn der Abstand zwischen Quelle und Substrat vergrößert wird, um solche Strukturen unterzubringen. In praktischer Hinsicht sind Sputterquellen mit einem Abstand zwischen Wafer und Target von 2 bis 10cm derzeit in Benutzung.
Ein anderer geometrischer Parameter, der bei der Berechnung des gewünschten Erosionsprofils berücksichtigt werden muß, ist die relative Größe des Sputtertargets und des Wafers. Bei gleichförmiger Erosion resultiert ein Target, das größer als das Substrat ist, in einer erheblichen Verschwendung von Sputtermaterial. Auf der anderen Seite, wenn das Target genauso groß ist wie der Wafer oder kleiner, ist es schwieriger, eine angemessen Schichtgleichförmigkeit zu erzielen. Solch eine Konfiguration würde es auch schwierig machen, eine ausreichende "Stufenbedeckung" in der abgelagerten Schicht zu erzielen, wobei Stufenbedeckung ein wohlbekanntes Maß für die Fähigkeit der Schicht ist, winkelige Teile der Vorrichtung in Abhängigkeit davon zu beschichten, in welcher Weise diese Teile sich einander gegenüberstehen. Es würde einen niedrigen Fluß von gesputterten Material geben, der auf dem Wafer zum Umfang hin unter Einschluß eines Winkels auftrifft, und es ist deshalb wahrscheinlich, daß nach außen gerichtete Teile in der Nähe der Kante des Wafers eine nicht ausreichende Beschichtung mit gesputterten Material empfangen würde. Auf der anderen Seite würden einwärts orientierte Teile am selben Ort wahrscheinlich eine ausreichende Beschichtung mit gesputterten Material empfangen, da der Materialfluß unter Einschluß von Winkeln stattfinden würde, die dem Zentrum des Targets entsprechen.
Die modernsten integrierten Schaltkreisvorrichtungen werden nun auf Wafern mit 20cm Durchmesser hergestellt und vorbekannte Sputtertargets besitzen einen Durchmesser von 29cm, d.h., daß die Kante des Targets fast 5cm über die Kante des Wafers übersteht.
Der andere Parameter, der jetzt für die Berechnung des optimalen Sputtertargeterosionsprofils in Betracht bezogen werden sollte, ist der Betriebsdruck des Sputtersystems. Da die gesputterten Atome die Oberfläche mit einer bestimmten Winkelverteilung verlassen könnten, könnten Kollisionen zwischen Gasmolekülen (oder Plasmaionen) und gesputterten Atomen die Flugbahnen der gesputterten Atome verändern, bevor sie die Waferoberfläche erreichen. Der Streueffekt von Gaskolsionen auf die Winkeerteilung von gesputterten Atomen, die die Oberfläche des Wafers erreichen, kann berechnet werden. Es wurde herausgefunden, daß im Zusammenhang mit den hier benutzten Betriebsparametern Gaskollisionen in Abhängigkeit von dem Gesamtdruck, der während des Sputterns verwendet wird, einen signifikanten Faktor darstellen können oder auch nicht. Die Effekte der Gasstreuung können durch eine enge Kopplung zwischen Target und Substrat und einem niedrigen Betriebsdruck des Sputtersystems, z.B. 0,1 Pa, reduziert werden.
Die Anwendung dieses Verfahrens für die Bestimmung des gewünschten Targeterosionsprofils beinhaltet deshalb zunächst die Bestimmung der Geometrie des Systems. Insbesondere sind Kenntnisse über den Abstand zwischen Target und Substrat und über die Durchmesser des Targets und des Substrats erforderlich. Als nächstes definiert man eine mathematische Funktion, die zumindest in erster Ordnung die Verteilung von gesputterten Atomen approximiert, die die Oberfläche des Sputtertargets bei Betriebsbedingungen der Sputterquelle verlassen. Schließlich ist es notwendig, eine Justierung der Verteilungsfunktion vorzunehmen, um Gasstreuungseffekte mit zu berücksichtigen.
Liegen die vorstehenden Informationen vor, ist es möglich, ein Targeterosionsprofil zu berechnen, das in einer Erzielung einer gleichförmig dicken Sputterschicht auf der Oberfläche des Wafers resultiert. Die Kalkulation basiert auf der Tatsache, daß die Erosionsrate an einem Punkt auf der Oberfläche des Targets ein Maß für die Sputterrate von diesem Punkt ist. Solch eine Kalkulation kann unter Verwendung einer Vielzahl von Computermoduliertechniken derjenigen Typen durchgeführt werden, die im Stand der Technik wohlbekannt sind. Es sollte angemerkt werden, daß es mehr als ein Erosionsprofil gibt, das eine gleichförmige Sputterschichtablagerung erzeugt. Es ist wünschenswert, ein Erosionsprofil auszuwählen, das gleichermaßen eine gleichmäßige Schicht erzeugt, in größtmöglicher Weise das Targetmaterial gut nutzt und eine niedrige Partikelbildung durch Vermeidung von Targetbereichen erzeugt, an denen ein Netz gebildet wird.
Sind wir nun bei einem gewünschten Erosionsprofil in der vorbeschriebenen Art und Weise angekommen, ist es nun möglich, den Magneten in der vorbeschriebenen Weise zu konfigurieren, um das gewünschte Erosionsprofil zu erzielen.
Diese Technik wurde insoweit in Form von zwei unterschiedlichen Verfahren beschrieben, d.h. einem Verfahren zur Berechnung eines gewünschten Erosionsprofils und einem Verfahren zum Konfigurieren eines herzförmigen Magneten mit geschlossener Schleife zur Erzielung des gewünschten Erosionsprofils. Diese zwei Verfahren können in einem einzigen Verfahren kombiniert werden, indem alle notwendigen Informationen in ein Computermodell eingegeben werden. Die Auswirkung von kleineren Störungen der Position der Magnetzentrallinie an einer oder mehreren Stelen auf die Gleichförmigkeit der Sputterschicht kann dann direkt berechnet werden. Man kann solch ein kombiniertes Modell zur Vorhersage einer geeigneten Magnetkonfiguration für eine gegebene Menge von Parametern benutzen.
Der Verfahrensablauf, bei dem die Sputterschichtgleichmäßigkeit bei Veränderungen der Magnetposition direkt berechnet wird, ist wie folgt: Wie vorstehend beschrieben besteht der erste Schritt darin, eine statische Erosionsrille auf der Oberfläche des Sputtertargets zu bilden. Die Tiefe der Targeterosion wird dann an einer endlichen Anzahl von Punkten als eine Funktion des Radius r und des Winkels θ auf der Oberfläche des Targets gemessen. Für ausgewählte Werte von θ werden Polynome fünfter Ordnung gebildet, die den beobachteten Daten entsprechen und die Polynome werden in eine Matrix eingegeben. Einfachheitshalber werden die Polynome fünfter Ordnung für einen bestimmten Winkel θ relativ zur Zentrallinie des Magneten bestimmt, der für die Erzeugung der statischen Erosionsrille verwendet wird.
Die Koordinaten der Zentrallinie einer neuen Magnetgestalt, die zu testen ist, werden dann in eine Matrix eingegeben und die Entfernung von jedem Wert eines Radius r und eines Winkels θ, die in der Matrix verwendet werden, zu der Zentrallinie des neuen Magneten werden berechnet und in eine Matrix eingegeben. Die Position der Zentrallinie des neuen Magneten weicht an irgendeinem vorgegebenen Ort vorteilhafterweise nicht von dem Ort der Zentrallinie des Magneten ab, der benutzt wird, um die statische Erosionsrille zu bilden. Eine statische Erosionstiefenberechnung wird dann für jeden Wert des Radius r und Winkels θ basierend auf den neuen Magnetpositionen durchgeführt. Die errechnete statische Erosionstiefeninformation wird dann über eine Drehung des Magneten integriert, um ein berechnetes Erosionsprofil zu erzielen, das sich auf die neuen Magnetpositionen bezieht.
Die Gleichmäßigkeit der Sputterschicht wird dann unter Benutzung des zuvor berechneten Targeterosionsprofils berechnet. Wie vorstehend beschrieben sollte bei der Berechnung der Gleichmäßigkeit der Schicht sowohl die Geometrie des Sputtersystems als auch Eigenschaften des gesputterten Materials und irgendwelche signifikanten Gasstreueffekte mit berücksichtigt werden. Die Kalkulation enthält eine doppelte Integration, so daß die Effekte des Lösens von Material mit einer gegebenen Rate und einer gegebenen Verteilung von jedem Punkt des Targets für jeden Punkt auf dem Wafer unterstützt wird. Die doppelte Integration beinhaltet die Berechnung der Menge des abgelagerten Materials für jeden Punkt auf der Oberfläche des Wafers. Dieses wiederum beinhaltet eine Integration des Flusses von jedem Punkt auf dem Target sowohl als eine Funktion der Winkelposition als auch eine Funktion der radialen Position. Nachdem die Gleichmäßigkeitsinformation auf diese Weise berechnet wurde, wird eine Beurteilung vorgenommen, ob eine akzeptable Gleichmäßigkeit erzielt worden ist, d.h. es wird die berechnete Gleichförmigkeit für jeden dieser Punkte auf dem Wafer verglichen, um die Abweichung der Schichtdicke über der Oberfläche des Wafers zu bestimmen. Falls eine akzeptable Gleichförmigkeit der Schicht erzielt wurde, d.h. falls die Abweichung minimiert worden ist, ist das Verfahren abgeschlossen und die Magnetform hergestellt. Falls die Schichtgleichförmigkeit nicht akzeptabel ist oder falls angenommen wird, daß eine weitere Verbesserung erzielt werden könnte, wird die Magnetform weiter gestört und das Verfahren wird von diesem Punkt nochmals wiederholt.
Ein systematischer Ansatz den Magneten zu stören ist wie folgt: Beginnend mit der Form des Magneten, der zur Bildung des statischen Erosionsgraben benutzt wird, wird ein neuer Magnet definiert, wobei die Position des Magneten nur an einem Punkt verändert wird, der an irgendeinem ausgewählten Wert von θ liegt. Nachdem die Gleichförmigkeit der Sputterschicht für diesen neuen Magneten berechnet wurde, wird die erzielte Gleichförmigkeit verglichen mit der Gleichförmigkeit, die mit der bekannten Magnetkonfiguration erzielt wurde. Falls die Gleichförmigkeit verbessert wurde, wird die dieselbe Magnetposition weiter in derselben Richtung justiert und eine andere Gleichförmigkeitsberechnung wird durchgeführt. Wenn sich die Gleichförmigkeit verschlechtert, wird der Magnet in die entgegengesetzte Richtung bewegt und es wird eine neue Gleichförmigkeitsberechnung durchgeführt. Die erste Magnetposition wird iterativ justiert, bis keine weitere Verbesserung in der Gleichförmigkeit erzielt wird. Anschließend wird die nächste Magnetposition justiert und es folgt dasselbe Verfahren, bis keine weitere Einstellung des zweiten Magneten eine verbesserte Gleichförmigkeit erzeugt. Dieses Verfahren wird sequentiell für alle Magnetpositionen wiederholt, wonach das gesamte Verfahren mehrfach wiederholt werden kann, wobei wiederum an der ersten Magnetposition begonnen wird. Dieser schematische Ansatz eignet sich recht gut für eine Automatisation und kann in einem Computerprogramm einfach implementiert werden. Andere äquivalente systematische Ansätze werden Fachleuten offensichtlich. Z.B. kann man die Einstellungen irgendeiner gegebenen Magnetposition auf eine bestimmte Anzahl während jeder "Schleife" um den Magneten beschränken.
Bis jetzt wurde dieses Verfahren nur in dem Kontext des Messens einer statischen Erosionsrille beschrieben, um die "wirksame" Magnetform zu bestimmen. Obwohl dies die bevorzugte Weise der Implementation des Verfahrens ist, sind andere Verfahren möglich. Z.B. ist es möglich, die "wirksame" Magnetposition durch Beobachtung der Position und Intensität des Plasmas zu messen, das durch einen Startmagneten erzeugt wird. Moderne Techniken gestatten die Plasmaintensität an einer endlichen Anzahl von vorbestimmten Punkten über dem Target genau zu messen und diese Information könnte als ein Ersatz für die Information verwendet werden, die durch Messung einer statischen Erosionsrille erzielt wurde. Es wird jedoch angenommen, daß die Plasmaintensitätsinformation nicht so genau sein würde und wird daher weniger bevorzugt.
Obwohl der Ablauf des Verfahrens ausschließlich im Kontext der Gleichmäßigkeit der gesputterten Schicht beschrieben wurde, können andere Eigenschaften der gesputterten Schicht ebenfalls in Betracht gezogen werden. Z.B. könnte eine Berechnung der Stufenbedeckung, die von der neuen Magnetkonfiguration erzielt wurde oder Viafüllungseigenschaften herangezogen werden. Während die vorliegenden Techniken zum Viafüllen Schritte beinhalten, welche über das einfache Sputtern hinausgehen, ist die Fähigkeit eine ausreichend dicke Schicht am Boden des Vias abzulagern ein sehr wichtiger Aspekt des Verfahrens. Es sollte aufgrund von geometrischen Überlegungen klar sein, daß die Fähigkeit den Boden eines schmalen Vias zu füllen mit der Winkelverteilung der Atome des gesputterten Materials zusammenhängt, das auf die Oberfläche des Wafers trifft. Gesputterte Atome, die auf der Waferoberfläche in im wesentlichen senkrechter Richtung auftreffen, erreichen daher mit hoher Wahrscheinlichkeit den Boden eines Vias, während Atome, die unter einem spitzen Winkel auftreffen, von einer Wand des Vias abgefangen werden, bevor sie den Boden erreichen.
Ebenso kann mehr als eine Eigenschaft der Schicht berechnet werden, wenn es darum geht, eine Balance zwischen ihnen zu optimieren. Z.B. kann eine verbesserte Gleichmäßigkeit durch eine bestimmte Magnetabweichung durch eine verschlechterte Stufenbedeckung aufgewogen werden.
Die US-Patentanmeldung Nr. 471,898, die eine continuation-in-part-Anmeldung des '958-Patentes ist, dehnt die Lehren des '958-Patentes aus, so daß Magnetanordnungen zur Benutzung in nichtebenen Sputtertargetoberflächen hergestellt werden können, um beliebig gewählte Erosionsprofile zu erzeugen. Eine Bedingung, die von der '898-Anmeldung gefordert wird, besteht darin, daß die Sputtertargetoberfläche die Umdrehungsoberfläche ist. Die '898-Anmeldung lehrt, daß die Zentrallinie der Magnetanordnung mit geschlossener Schleife auf einer Kurve liegen sollte, die definiert wird durch
wobei ξ(r) ein vorbestimmtes Erosionsprofil ist, das in dem gebogenen Target herzustellen ist, wenn der Magnet gedreht wird und das Sputtern durchgeführt wird, z(r) eine Umdrehungsoberfläche ist, die die Oberfläche des Sputtertargets definiert und C ist eine ausgewählte Konstante ist.
Wie bei dem '958-Patent besteht eine Prämisse der '898-Anmeldung darin, daß die Magnetfeldintensität in einem an die Targetoberfläche angrenzenden Bereich am größten direkt über der Zentrallinie der Magnetanordnung ist, so daß die Form eines statischen Erosionsgrabens der Form des Magneten entsprechen würde. Es wird wiederum Fachleuten klar sein, daß die Methodologie der vorliegenden Erfindung auf Magnete angewendet werden kann, die gemäß der '898-Anmeldung angeordnet sind, um Abweichungen zwischen der tatsächlichen Magnetanordnungsgestalt und der wirksamen Magnetanordnungsgestalt zu kompensieren.
Diese Beschreibung des Standes der Technik, der für die vorliegende Erfindung relevant ist, zeigt eindeutig die Komplexität dieses Fachgebietes und die Schwierigkeit, dem strengen Diktat einer mathematischen Analyse zu folgen. Die Interaktion eines Plasmas mit einem magnetischen und elektrischen Feld ist kein triviales Problem, selbst in einer idealisierten Umgebung. In der wirklichen Umgebung mit komplexen Geometrien und nicht gleichförmigen Materialien war eine mathematische Analyse und die Intuition von erfahrenen Fachleuten nicht ausreichend, um Lösungen der Probleme zu finden. Es wurde sogar einer der Erfinder des '958- Patentes von den Anmeldern der vorliegenden Erfindung gebeten, Magnetfelder gemäß der hier beanspruchten Erfindung zu modellieren und er deutete an, daß die kleinen Veränderungen in dem vorhergesagten Magnetfeld nicht nützlich seien. Hingegen haben Tests erwiesen, daß unsere Erfindung wirksam ist. Es ist klar, daß die die Magnetfeldmodelle nicht dafür geeignet sind, die zugehörigen Plasmareaktionen vorherzusagen und die Benutzung von empirischen Methoden ist immer noch in dieser komplexen Technologie notwendig.
Ein anderes Beispiel des wohlbekannten Standes der Technik ist die JP-A-62- 211375, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 offenbart. Die Erfindung ist gegen diesen Stand der Technik mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 abgegrenzt.
Die Gleichmäßigkeit der Ablagerung kann durch die Benutzung eines stationären Elektromagneten zusammen mit einer rotierenden herzförmigen Dauermagnetanordnung signifikant verbessert werden.
Die Fähigkeit, das Magnetfeld mit der Zeit zu verändern, gestattet auch die Veränderung des Abstandes zwischen Target und Substrat mit fortschreitender Zeit zu kompensieren und hierdurch die Gleichmäßigkeit der Ablagerung trotz einer signifikanten Veränderung der Geometrie aufrechtzuerhalten.
Der Elektromagnet, der in Kombination mit einer optimierten herzförmigen Anordnung benutzt wird kann verwendet werden, um die Targetverwertung beim Zentrum des Targets zu erhöhen oder zu vermindern.
Wenn der Elektromagnet das resultierende Magnetfeld mit der Zeit verändert, ist eine gewisse Kompensation für die Veränderung der Gestalt des Targets, wenn es sich erschöpft, gestattet.
Beispiele der Erfindung und des vorbekannten Standes der Technik werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische vereinfachte perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer bekannten Magnetronquelle mit einem rotierbaren Magneten;
Fig. 2A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sputterquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 2B eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts B-B aus Fig. 2A;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer herzförmigen Magnetanordnung mit geschlossener Schleife zur Verwendung in einem ebenen Magnetronsputtersystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die einen verbesserten im wesentlichen herzförmigen rotierbaren Magneten mit geschlossener Schleife mit einer inneren flachen Elektromagnetspule und einer äußeren Elektromagnetspule kombiniert;
Fig. 6 eine Kontur-Abbildung einer Flächenwiderstandsgleichförmigkeit für eine dünne Titanschicht als eine Funktion von inneren und äußeren Spulenströmen in der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Kontur-Abbildung der Schichtwiderstandsgleichförmigkeit für eine dünne Aluminiumschicht als eine Funktion von inneren und äußeren Spulenströmen in der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 5.

LEXIKON

"Im wesentlichen herzförmig" ist hierin dahingehend definiert, daß eine geschlossene Schleife gemeint ist, die eine im wesentlichen konvexe Form relativ zu einem Zentrum der Figur besitzt, die nicht notwendigerweise achsensymmetrisch sein muß und einen im wesentlichen konkaven Abschnitt besitzt, der zwei Ausbuchtungen unterteilt, wobei der konkave Abschnitt Kurvenradien besitzt, der kleiner ist, als der der Schleife insgesamt.
"Spitze des Herzens" wird hierin so definiert, daß damit der im wesentlichen konvexe Abschnitt der Schleife gemeint ist, der sich von der Rotationsachse am meisten entfernt befindet.
"Scheitepunkt des Herzens" wird hierin derart definiert, daß hiermit der im wesentlichen konkave Abschnitt gemeint ist, der sich am dichtesten an der Rotationsachse befindet und der sich zwischen den zwei ausbuchtungsförmigen Abschnitten des Herzens befindet.
In Fig. 1 ist eine vereinfachte schematische perspektivische Ansicht eines Abschnittes einer bekannten ebenen Magnetronquelle mit einem rotierenden Magneten dargestellt. Die Quelle und der Wafer sind in einer nicht dargestellten Vakuumkammer befestigt. Eine Magnetanordnung 10 ist exzentrisch auf einem Schaft befestigt, so daß sie um eine Zentrallinie 12 rotiert. Die Magnetanordnung 10 ist hinter einem Target 20 aus dem zu sputternden Material - wie beispielsweise Aluminium - befestigt. Ein Halbleiterwafer 30 ist dem Target 20 gegenüber befestigt. Ein Plasmagas - z.B. ein Plasma von Argongas - füllt den Raum zwischen dem Target 20 und dem Halbeiterwafer 30 mit niedrigem Druck. Das Target 20 und der Wafer 30 sind voneinander isoliert und werden auf verschiedenen elektrischen Potentialen gehalten.
Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sputtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Magnetanordnung 10 ist wiederum exzentrisch zu einem Schaft befestigt, so daß sie hinter dem Target 20 rotierbar ist. Eine flache elektromagnetische Spule 35 in einem Eisenkanal 36 ist in einer festen Position hinter der rotierbaren Magnetanordnung 10 befestigt. Die Spule 35 besitzt einen dem Target entsprechenden Durchmesser. Die Spule 35 wird von einer Stromquelle (nicht dargestellt) mit Strom versorgt, die in der Lage ist, Strom in irgendeiner Richtung einzuspeisen senden und ein paralleles Magnetfeld erzeugt, das von einem Eisenjoch 36 gezwungen wird, aus dem Kanal im wesentlichen insgesamt in Richtung der rotierenden Magnetanordnung auszutreten, wie in Fig. 2B zu sehen ist. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform kann benutzt werden, um die Verwertung des Targets beim Zentrum zu verbessern, die Ablagerungsrate und Gleichförmigkeit zu erhöhen und die Erosion des Targets mit der Zeit zu kompensieren.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform benutzt zwei flache Spulen, eine äußere Spule 40 und eine innere Spule 45, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese werden unabhängig von externen Stromquellen (nicht dargestellt) mit Strom versorgt, die in der Lage sind, Strom in irgendeiner Richtung bereitzustellen. Es stellt einen besonderen Vorteil bei der Verbesserung der Gleichförmigkeit von gesputterten Schichten dar, die magnetischen Felder von den inneren und äußeren Spulen in entgegengesetzte Richtungen zu richten, wie nachfolgend noch diskutiert wird. Jede Spule ist in einem Eisenkanal angeordnet, wobei die offene Seite in Richtung des rotierbaren Magneten angeordnet ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2B ist die Struktur der elektromagnetischen Spule 35 innerhalb eines Eisenkanals 36 schematisch dargestellt. Der Eisenkanal dient als ein Pfad niedrigen Widerstandes für den magnetischen Fluß, der dazu gezwungen wird, im wesentlichen vollständig von dem Eisenkanal zurückgehalten zu werden, außer an der offenen Kanalseite. Der Kanal bewirkt einen Abschirmeffekt, so daß die Wirkung des Elektromagneten auf die Region beschränkt ist, die an seiner offenen Seite angrenzt. Das Eisen führt weiterhin zu einer stärkeren und höheren magnetischen Intensität an der offenen Stirnseite der Spule als dies ohne den Kanal bei identischer Anzahl von Ampere der Fall sein würde. Wie zu sehen ist, verändert der Elektromagnet 35 das magnetische Feld, das mit der Targetsputteroberfläche 21 verbunden ist und es umschlingt. Die Schleife 23 ist als gestört zu sehen, was das Plasma beeinflussen wird, das von dem schleifenförmigen Feld zurückgehalten wird, um in Kontakt mit der Sputtertargetoberfäche 21 zu sein. Die Dauermagneten sind innerhalb der Kanäle 55 und 60 angeordnet. Typischerweise ist die rotierende Magnetanordnung 10 so dicht wie möglich an der Targetrückseite angeordnet, d.h. 0,076cm ist normal.
Die Abmessungen, Plazierung und Windungen der Spulen sind unkritisch, da das Magnetfeld durch Veränderung des Stromes verändert werden kann. Für ein Target 30 von 29cm könnte die innere Spule 45 bzw. die äußere Spule 40 mittlere Durchmesser von ungefähr 4 bis 9 Inch besitzen (1 Inch = 2,54cm). Die innere Spule 45 und die größere Spule 40 können auf einer gemeinsamen festen Befestigungsplatte (nicht dargestellt) befestigt werden. Die inneren und äußeren Spulen können z.B. aus 170 Windungen aus # 14 Draht hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der rotierbare Magnet eine Anordnung 50 von einzelnen Magneten zwischen Ankern (keepern) bei der verbesserten herzförmigen rotierbaren Anordnung mit geschlossener Schleife, die von Harra offenbart wurde und in Fig. 4 dargestellt ist. Aus Gründen der Klarheit sind die einzelnen Magneten, die die Anordnung enthält, nicht dargestellt. Statt dessen ist nur der innere Eisenanker 55 und der ußere Eisenanker 60 in Beziehung zur Rotationsachse 12 und die Platte 65, auf der die Magnetanordnung befestigt ist, dargestellt. Beginnend beim Scheitepunkt 70 des Herzens ist anzumerken, daß der innere Anker 55 die Rotationsachse 12 der Magnetanordnung überquert, wobei eine annähernd gleiche Beabstandung zwischen dem inneren Anker 55 und dem äußeren Anker 60 in der Umgebung des Scheitelpunktes 70 aufrechterhalten wird. Es ist ebenfalls anzumerken, daß unmittelbar hinter den Ausbuchtungen des Herzens die Form der Magnetanordnung zwei einwärtige Biegungen 76 und 77 besitzt. In anderen Worten, während die Form im Stand der Technik bekannter herzförmiger Magneten ausnahmslos so ausgebildet ist, daß die Kurve immer konvex in bezug auf das Innere der Schleife ist, gibt es in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zwei Abschnitte der Kurve 76 und 77, die konkav in Beziehung zum Inneren der Schleife sind.
Schließlich sollte angemerkt werden, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 4 keine angespitzte Spitze besitzt. Während die Ausführungsform in Fig. 4 symmetrisch zu einer Linie 80 ist, die durch den Scheitel 70 und die Rotationsachse 12 des Herzens läuft, liegt der Abschnitt der Kurve, der am weitesten entfernt von der Rotationsachse 12 angeordnet ist und auf einer Seite der Symmetrieachse 80 liegt, auf einem Kreisbogen. Die Kurve ist an diesem Punkt dementsprechend glatt, d.h. die Ableitung der Kurve ist an diesem Punkt stetig. Darüber hinaus liegt in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein wesentlicher Abschnitt des Herzens 85 - vielleicht 1/4 der Kurve oder mehr - auf diesem Bogen. Obwohl diese rotierbare Anordnung symmetrisch ist, ist dies für die Erfindung nicht erforderlich.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform in Verbindung mit einer Magnetanordnung desjenigen Typs beschrieben wurde, der im Stand der Technik mit Eisenankern dargestellt wurde, die als Polstücke dienen, wird von Fachleuten bemerkt werden, daß andere Magnetanordnungen möglich sind. Z.B. werden in Gruppen aufgeteilte Magneten des Typs, der in dem zuvor genannten '964-Patent dargestellt und beschrieben wurde, als äquivalent erkannt. Eine in Gruppen aufgeteilte Magnetanordnung bietet den Vorteil, von einer Konfiguration in eine andere, einfacher justierbar zu sein und - falls gewünscht - feinabgestimmt zu werden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform, in der ein verbesserter herzförmiger rotierbarer Magnet 50 mit geschlossener Schleife mit einer inneren flachen elektromagnetischen Spule 45 und einer äußeren flachen elektromagnetischen Spule 50 kombiniert ist. Die äußere Spule besitzt ungefähr dieselbe Größe wie das Target, während die innere Spule die Hälfte bis 1/4 der Größe besitzt. Fig. 6 ist eine Konturabbildung der Schichtwiderstandsgleichförmigkeit für eine dünne Titanschicht als eine Funktion von inneren und äußeren Spuenströmen in der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 5. Der Graph zeigt den Effekt, den Strom in beiden Spulen unabhängig voneinander positiv und negativ zu machen. Die Region größter Gleichförmigkeit wurde oben links in dieser Figur festgestellt, wo der Strom in der äußeren Spule positiv ist und 3 Ampere beträgt und der Strom in der inneren Spule negativ ist und 16 Ampere beträgt, d.h., daß die Magnetfelder der inneren und äußeren Spule einander gegenüber angeordnet sind.
Fig. 7 ist eine Konturabbildung einer Schichtwiderstandsgleichförmigkeit für eine dünne Aluminiumschicht als eine Funktion von innereren und äußeren Spulenströmen in der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 5. Der Bereich größter Gleichförmigkeit wurde unten rechts in dieser Figur festgestellt, wo der Strom in der äußeren Spule negativ ist und 12 Ampere beträgt und der Strom in der inneren Spule positiv ist und 12 Ampere beträgt. Wiederum sind die Magnetfelder der inneren und äußeren Spulen einander gegenüber angeordnet, wo die größte Gleichförmigkeit erzielt wurde. Die Vorteile dieser Erfindung ergeben sich in Verbindung mit Magnetfeldern, bei denen die inneren und äußeren Spulen sich ergänzen.
Obwohl die vorliegende Erfindung bis hierhin ausschließlich im Zusammenhang mit einer herzförmigen ebenen Magnetronsputterquelle beschrieben wurde, sollte Fachleuten klar sein, daß die Methodologie, die hier beschrieben wurde, entsprechend auf andere Magnetkonstruktionen anwendbar ist, die dazu bestimmt sind, ein vorbestimmtes Erosionsprofil in der Oberfläche des Sputtertargets zu erzeugen. Z.B. sind die Lehren des '958-Patentes nicht auf herzförmige Magnetanordnungen beschränkt und verschiedene nicht herzförmige Magnetanordnungskonfigurationen sind offenbart. In dem Maße, in dem eine entsprechende Diskrepanz zwischen der tatsächlichen und der wirksamen Form einer Magnetanordnung besteht, die gemäß einer der anderen Ausführungsformen hergestellt wurde, d.h., daß die statische Erosionsrille nicht über der magnetischen Zentrallinie liegt, kann die hier gelehrte Methodologie genutzt werden, um die Positionen der einzelnen Magneten in der Anordnung zu justieren, um eine gewünschte wirksame Magnetform und ein gewünschtes Erosionsprofil zu erzielen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch eine geeignete Computermodellierung die Auswirkung von Justierungen der Positionen einzelner Magneten auf die Sputterschichtgleichförmigkeit direkt bestimmt und von Elektromagneten eingestellt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die wenigstens einen Elektromagneten hinter der rotierbaren herzförmigen Magnetanordnung enthält, sind die Magnetanordnung und Bedingungen gemäß den vorstehend spezifizierten Verfahren optimiert, wobei der Strom in dem Elektromagneten auf Null eingestellt ist. Es werden dann Stufenbeträge von Strom hinzugefügt und die Systemoptimierung wiederholt, bis ein neues Optimum mit optimiertem Elektromagnetstrom gefunden wurde. Zur Kompensierung der Veränderung der Form des Targets, während sich das Target vermindert, wird das Target dann weiter benutzt, bis es teilweise erschöpft ist. Der Strom wird dann stufenweise verändert, bis ein zweiter optimaler Elektromagnetstrom gefunden ist. Das Verfahren wird eine zeitlang wiederholt. Es wird dann angenommen, daß der Elektromagnetstrom mit der Zeit stufenlos von einem Punkt zum anderen von dem optimalen Strom bei einem neuen Target zu einem zweiten optimalen Strom, wenn das Target weitgehend aufgebraucht ist, verändert wird.

Claims

1. Magnetronquelle zum Zusammenwirken mit einem Plasma zum Sputtern von Atomen von einem Target (20) und zum Ablagern eines dünnen Films auf einem Substrat (30),

wobei das Target (20) eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist,

wobei die erste Oberfläche (21) die Oberfläche ist, von der Material gesputtert wird,

und wobei im Betrieb die erste Oberfläche dem Substrat und dem Plasma benachbart angeordnet ist,

mit einer rotierbaren Magnetvorrichtung (10) zum Erzeugen eines beweglichen Magnetfeldes, wobei die rotierbare Magnetvorrichtung der zweiten Oberfläche (22) des Targets benachbart angeordnet ist,

gekennzeichnet durch eine Elektromagnetvorrichtung (35, 36) zur Erzeugung eines in der Stärke einstellbaren Magnetfeldes in dem der zweiten Oberfläche (22) des Targets benachbarten Raum, wobei die Elektromagnetvorrichtung raumfest in Bezug auf das Target ist, und die rotierbare Magnetvorrichtung zwischen der Elektromagnetvorrichtung und dem Target angeordnet ist.

2. Magnetronquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb die rotierbare Magnetvorrichtung (10) sofort ein Erosionsmuster im Target bildet, welches außerhalb der Zentrallinie der Magnetanordnung liegt und welches eine Rille bildet, von der ein beträchtlicher Teil auf einer vorgewählten Kurve liegt.

3. Magnetronquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Target planar ist und die vorgewählte Kurve definiert ist durch

wobei ξ(u) das vorgewählte Erosionsprofil darstellt.

4. Magnetronquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierbare Magnetvorrichtung eine im wesentlichen herzförmige Kurve bildet.

5. Magnetronsputterquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die herzförmige Kurve asymmetrisch ist.

6. Magentronsputterquelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich der herzförmigen Kurve, welcher am weitesten von einer Rotationsachse der Magnetvorrichtung entfernt ist, einen Kreisbogen bildet.

7. Quelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Kurve, welcher auf dem Bogen liegt, mindestens 25% der Gesamtlänge der Zentrallinie ausmacht.

8. Quelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve der Magnetvorrichtung mindestens einen Bereich umfaßt, der eine konvexe Form relativ zu einem Inneren einer geschlossenen Schleife aufweist, und daß mindestens zwei Bereiche eine konkave Gestalt relativ zum Inneren der geschlossenen Schleife aufweisen.

9. Magnetronsputterquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierbare Magnetvorrichtung eine Gruppierung von einzelnen Permanentmagneten umfaßt, die auf einer Kurve angeordnet sind.

10. Magnetronsputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetvorrichtung zur Erzeugung eines in der Stärke einstellbaren Magnetfelds Magnetfeldlinien erzeugt, welche durch die rotierbaren Magnete in einer geschlossenen Schleife laufen und welche die Magnetfeldstärkelinien modifizieren, die von der rotierbaren Magnetvorrichtung herrühren und in einer geschlossenen Schleife das Target durchlaufen, wobei die Elektromagnetvorrichtung eine erste flache Spule (40) mit einem kleineren Durchmesser als dem des Target einschließt.

11. Quelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Spule der Elektromagentvorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes variabler Stärke ein Zentrum besitzt und wobei das Zentrum im wesentlichen mit der Rotationsachse der rotierbaren Magnetvorrichtung fluchtet, um ein bewegliches Magnetfeld zu erzeugen.

12. Mag netsputtervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetvorrichtung eine zweite flache Spule (45) mit einem Durchmesser kleiner als dem der ersten Spule einschließt.

13. Magnetsputtervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite flache Spule und die erste flache Spule in derselben Ebene liegen.

14. Magnetsputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetvorrichtung zur Erzeugung eines in der Stärke einstellbaren Magnetfeldes einen Kanal (36) mit einem niedrigen magnetischen Widerstand einschließt, der das Magnetfeld auf den Bereich nahe der offenen Seite des Kanals beschränkt.

15. Magnetsputtervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einem eisenhaltigen Material besteht.

16. Magnetsputterquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtertarget eine nicht-planare Rotationsoberfläche definiert und die Kurve definiert ist durch

wobei ξ(r) das vorgewählte Erosionsprofil darstellt, z(r) die Rotationsoberfläche definiert und C eine ausgewählte Konstante ist.

17. Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Elektromagnetvorrichtung zwei in derselben Ebene liegende Spulen einschließt, wobei die äußere Spule ungefähr den Durchmesser des Targets aufweist, und die innere Spule einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweist, und wobei die Spulen an unabhängige Stromquellen anschließbar sind, so daß die von den Spulen erzeugten Magnetfelder variabel sind und einander gegenüberliegend angeordnet werden können.